KR100752232B1 - 용강용 철-알루미늄 복합 탈산재의 제조방법 및 장치 - Google Patents

용강용 철-알루미늄 복합 탈산재의 제조방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의하면 알루미늄계 탈산재의 이용효율을 향상시키기 위한 목적으로 비중이 작은 알루미늄에 Fe함량의 성분 제어를 통해 탈산재의 밀도를 증가시켜 용강 중에 오랫동안 존재할 수 있도록 한 Fe-Al 복합 탈산재를 용탕제어, 불순물제어, Fe 첨가조건, 제품 용해, 주조, 냉각, 탈괴공정을 최적화 및 자동화하여 Fe-Al 복합 탈산재의 품질을 향상시킬 수 있는 방법 및 장치가 제공된다.
탈산재, 알루미늄, 철, 용강

Description

용강용 철-알루미늄 복합 탈산재의 제조방법 및 장치 {Method and apparatus for producing Fe-Al composite dross}
도 1은 본 발명의 일 실시구현에 따른 Fe-Al 복합재 제조공정개선을 구현하기 위한 장치의 개략도,
도 2는 본 발명의 일 실시구현에 따른 알루미늄 용탕중의 불순물을 제거하기 위한 플럭스기의 일 예를 보여주는 사진,
도 3은 본 발명의 일 실시구현에 따른 Fe-Al 복합재의 주조를 위한 금형 컨베이어의 일 예를 보여주는 사진,
도 4는 주조된 Fe-Al 복합재의 냉각을 위해 설치된 냉각팬을 보여주는 사진,
도 5는 Fe-Al 복합재를 금형에서 탈괴시키기 위한 해머장치를 보여주는 사진,
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 제조된, Fe 철편의 첨가에 의한 밀도제어 된 각형 및 콘형 Fe-Al 복합 탈산재를 촬영한 사진,
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 Fe 철편의 첨가에 의한 밀도제어된 Fe-Al 복합 탄산제의 단면 사진과 Fe와 Al 간의 계면을 보여주는 주사전자현미경 사진.
*도면중 주요부분에 대한 부호의 설명
1. 가스로
2. 플럭스기
3. 탕도
4. 노즐
5. 하부 금형컨베이어
6. 상부 컨베이어
7. 냉각팬
8. 해머
본 발명은 Fe-Al 복합재 제조공정개선에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 Fe함량의 성분 제어를 통해 비중이 작은 알루미늄계 탈산재의 밀도를 증가시켜 용탕 중에 오랫동안 존재할 수 있도록 하여 이용효율을 높이고 용탕제어, 불순물제어, Fe 첨가조건, 제품 용해, 주조, 냉각, 탈괴공정을 최적화하여 Fe-Al 복합 탈산재의 품질을 향상시키고 공정을 자동화하는 방법에 관한 것이다.
대부분의 용강 탈산작업은 대기 중에서 이루어지므로, 첨가된 탈산재의 일부는 공기 또는 산화성 슬래그와의 접촉에 따른 산화 손실이 불가피하며, 이는 탈산 재의 이용효율을 저하시키는 요인이 되고 있다. 따라서 탈산재의 이용효율을 향상시키기 위해서는 탈산재와 공기 또는 슬래그의 접촉기회를 최소화하고 용강 중에 체류하는 시간을 증대시킬 필요가 있다. 특히 알루미늄은 밀도가 2.688g/cm³(20℃)으로 용강에 비해 1/2수준에도 미치지 못하므로, 용강 표면에 투입할 경우 용강 중으로 침강하지 못하고 공기 중의 산소에 의한 산화손실에 따른 실수율 저하가 불가피하다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 다양한 방법이 제안된 바 있다. 예를 들어, 알루미늄을 총알처럼 제조하여 용강 중에 고속으로 투사하는 방법이 제안된 바 있으나 투사 장치와 작업방법이 번거로워 실용화되지 못하고 있다. 유사한 원리를 이용한 방법으로 와이어(Wire)형태의 알루미늄을 용강 중에 고속으로 투입하는 와이어 피딩(Wire feeding)법이 실용화되고 있으나 알루미늄 와이어의 가격이 비싸고 알루미늄 첨가속도, 즉 단위 시간당의 첨가량에 한계가 있으므로 일반적인 알루미늄 첨가 방법으로는 활용되지 못하고, 용강 중 알루미늄 농도를 미세 조정하기 위한 제한적인 목적으로만 활용되고 있다.
한편, 비중이 낮은 알루미늄계 탈산재에 철을 함유시켜 밀도를 증가시킨 Fe-Al 복합 탈산재는 용탕 중에 오랫동안 존재할 수 있어 이용효율이 증대되는 효과가 있는 것이나, 이러한 복합탈산재는 수작업으로만 제조하고 있을 뿐 자동화 공정이 개발되지 아니하여 아직 적극적으로 사용되지 못하고 있는 실정이다.
따라서 본 발명의 주된 목적은 Fe-Al 복합 탈산재의 자동화가능한 제조방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 다른 목적은 자동화 가능한 Fe-Al 복합 탈산재의 제조장치를 제공하는 데에 있다.
상기한 목적을 달성한 본 발명에 의하면 용강용 Fe-Al 복합 탈산재를 제조하기 위한 방법으로서,
(a) Fe-Al 복합재의 밀도제어를 위해 알루미늄에 장입할 Fe 성분 철편의 장입량을 계산하는 단계와;
(b) 알루미늄을 가스로에서 용해하고 용융된 알루미늄 용탕 내에 플럭스기(Flux Machine)에 의한 질소가스와 약품을 첨가하여 수소가스와 개재물 등을 제거하는 단계와;
(c) 상기 용융된 알루미늄 용탕을 세라믹이 코팅된 탕도를 통해 이동시키는 단계,
(d) 상기 탕도를 따라 이동되어 온 용탕을 1.5~10mm의 노즐을 통과시켜 컨베이어타입의 금형에 주입하는 단계와;
(e) 금형에 주입된 알루미늄 용탕에 상기 계산된 량의 철편을 장입하는 단계와;
(f) 상기 장입된 Fe-Al 복합재를 냉각시키는 단계와;
(g) 상기 냉각된 Fe-Al 복합재를 탈괴시키는 단계를 포함하는 Fe-Al 복합 탈산재의 제조방법이 제공된다.
또한 본 발명에 의하면 (e) 단계에서 Fe 철편의 투입온도는 0~250℃사이, 높이는 1~10cm에서 장입하는 것을 특징으로 하는 Fe-Al 복합 탈산재의 제조방법이 제공된다.
또한 본 발명에 의하면, 금형 컨베이어 상부에 Fe 철편 이송용 컨베이어 를 구성하여 이 상부 컨베이어에서 이송되는 Fe 철편을 그 하부 금형 컨베이어에 주입된 알루미늄 용탕에 장입하는 것을 특징으로 하는 Fe-Al 복합 탈산재의 제조방법이 제공된다.
또한 본 발명에 의하면 용강용 Fe-Al 복합 탈산재를 제조하기 위한 장치에 있어서,
알루미늄을 용해시키기 위한 가스로;
용융된 알루미늄 용탕 내에 질소가스와 약품을 첨가하여 수소가스와 개재물 등을 제거하기 위한 플럭스기;
가스로에서 용융된 알루미늄 용탕을 이동시키기 위한 세라믹이 코팅된 탕도;
탕도를 따라 이동하는 알루미늄 용탕을 방출하기 위한 노즐;
노즐에서 방출된 용탕을 주입하기 위한 금형이 장치된 하부 금형 컨베이어;
금형에 장입된 용탕에 철편을 장입하기 위하여 철편을 이송 및 낙하시키는 상부 컨베이어를 구비하는 것을 특징으로 하는 용강용 Fe-Al 복합 탈산재 제조장치 가 제공된다.
또한 본 발명에 의하면, 고온의 알루미늄으로부터 과열되지 않도록 금형 컨베이어 내의 제품과 10~15cm의 간격을 두고 설치되는 1개 또는 복수개의 냉각팬을 구비하는 것을 특징으로 하는 Fe-Al 복합 탈산재 제조장치가 제공된다.
또한 본 발명에 의하면, 상기 금형 컨베이어에 탈괴를 위한 해머가 장치되는 것을 특징으로 하는 Fe-Al 복합 탈산재 제조장치가 제공된다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 Fe-Al 복합재 제조공정개선 및 품질향상을 구현하기 위한 장치의 개략도이다.
상기의 장치는 알루미늄을 용융시키는 가스로(1)와 용융된 알루미늄 용탕이 이동하는 탕도(3)와 제품을 이동시키는 금형 컨베이어(5)를 구비한다.
탕도(3)에서 제품금형 컨베이어로 용탕을 이동시키기 위해 탕도의 아래쪽에 노즐(4)이 설치되고, 금형 컨베이어(5)에 공급된 알루미늄 용탕 위로 Fe 철편을 이송하여 상기 용탕에 장입하기 위하여 금형 컨베이어 상부에 또 하나의 컨베어어(6)가 제공된다.
주조된 Fe-Al 복합재의 응고를 위한 냉각은 제품금형 컨베이어 상부의 냉각팬(7) 등에 의한 강제냉각이나 자연냉각에 의해 이루어진다. 냉각된 주괴는 금형 컨베이어 최상부에 위치한 해머(8)에 의해 탈괴된다.
도 2 내지 도 5에 제시된 상기한 각 구성수단들의 실물사진들을 참조하여 각 수단들의 작용에 대하여 설명하기로 한다.
도 2는 가스로에 연결되는 플럭스기의 실물사진으로서, 알루미늄 용해공정 중 알루미늄 용탕 내에 삽입되는 불순물을 제거하기 위해 불활성 가스인 질소와 약품을 가스로내의 용탕에 공급하는데 사용된다. 가스로에서 충분히 용해된 720~750℃ 사이의 알루미늄 용탕 내에 불활성 가스인 질소 가스와 약품을 첨가하면 수소가스와 개재물 등의 불순물이 부유되고, 부유된 찌꺼기들을 제거하면 탈산재에 의한 용강의 오염을 최소화할 수 있다.
또한, 알루미늄 용탕이 이동하는 탕도는 세라믹 코팅된 것을 이용하는 데, 알루미늄 용탕을 이동시키기 전에 200~300℃로 예열하는 것이 바람직하다. 이와 같이 탕도를 예열하면 세라믹 코팅에 의해 탕도에 잔존하는 휘발성 바인더(binder)를 제거할 수 있다. 이러한 예열이 없으면 휘발성 바인더(binder)가 알루미늄 용탕의 열에 의하여 빠져나가 코팅면의 갈라짐에 의해 용탕안으로 개재물들이 흘러들어가는 일이 발생할 수도 있다.
또한, 알루미늄 원자재는 품질 검사를 철저히 하여 알루미늄 용해 시 알루미늄 이외의 다른 물질들을 최대한 제거하는 것이 바람직하며, 주기적으로 용탕의 성분 검사를 통하여 균일한 알루미늄 용탕의 품질을 유지하도록 하는 것이 바람직하다.
도 3은 Fe-Al 복합재의 주조를 위한 상,하부 컨베이어 실물사진으로서, 바람직하게 720℃ 정도의 온도로 제어된 알루미늄 용탕이 하부 금형 컨베이어의 몰드 위에 주입되고 상부 컨베이어에서 Fe 철편이 자동으로 용탕에 장입되어 Fe-Al 복합 탈산재가 주조되게 된다.
도 4는 주조된 Fe-Al 복합재의 냉각을 위해 설치된 냉각팬의 실물사진으로서, 냉각팬은 컨베이어 장치를 통해 이동하는 Fe-Al 복합재를 냉각시키는 역할을 한다. 상기 냉각팬은 고온의 알루미늄으로부터 과열되지 않도록 제품과 대략 10~15cm의 간격을 두고 설치하는 것이 바람직하다. 냉각팬은 1대 또는 다수대를 설치할 수 있으며, 바람직하게는 3대 정도 설치하는 것이다.
도 5는 Fe-Al 복합재를 자동으로 탈괴하는 해머장치의 실물사진으로서, 상기의 냉각팬에 의해 냉각된 Fe-Al 복합재를 만일 발생할 탈괴 불량에 대하여 대비하고자 기계적으로 금형 부분을 진동시켜 제품이 충격에 의해 금형에서 빠져나올 수 있도록 고안한 장치이다. 컨베이어가 자동으로 제품을 이송하고 최종적으로 금형이 뒤집혀서 제품이 탈괴되기 직전 금형을 양쪽에서 해머로 충격을 주면 금형이 진동하게 되고 이러한 진동에 의해 존재할 수도 있는 금형부분과 최종 탈산재 제품이 붙어 있는 부분을 떨어지게 되어 탈괴가 원활하게 된다.
본 발명의 상기한 특징 및 기타의 장점은 후술되는 실시예로부터 보다 명백하게 될 것이다. 단, 본 발명이 하기 실시예로 제한되는 것은 아니다.
[실시예]
도 1에 제시되는 장치를 사용하여 탈산재의 목표 밀도 3.4g/㎤의 Fe-Al 복합 탈산재를 다음과 같은 방법으로 제조하였다.
Fe 철편의 지름 1.7cm, 초기 알루미늄 용탕 장입질량 48g의 설정 값에서 최종 탈산재 제품의 질량 70.33g, 철편중량 22.33g, Fe 철편의 높이 1.25cm의 계산 값을 얻었으며 계산 값과 +5% 내외의 오차를 갖는 각 형과 콘 형의 Fe-Al 복합 탈산재를 제조하였다. 도 6에는 제조된 시제품의 사진이 제시된다.
도 7a 및 도 7b는 제조된 Fe-Al 복합재의 단면과 이 부분의 SEM 이미지를 나타낸 도면으로서, 사진에서 보여지는 것과 같이 Fe 철편이 정확히 알루미늄의 중앙에 위치하는 것을 확인 할수 있다. 또한, 고배율로 확대할수록 Fe 편과 알루미늄의 계면이 확실히 보였으며 계면의 두께는 약 10~20㎛정도를 나타내고 있다.
제조된 Fe-Al 복합 탈산재를 용강 중에 첨가한 결과, Fe첨가에 의한 밀도증가로 용강 중에 쉽게 가라앉아 탈산효율을 증가시킬 수 있었으며 용강 깊숙이 들어가 탈산재는 표면의 알루미늄부터 쉽게 용융되어 용강 중에 확산되어지고 내부의 Fe편의 경우 최종적으로 용융되어 용강 중에 확산되는 것을 확인하였다.
이러한 과정에서 Fe편이 알루미늄이 용강 내에서 모두 용융되기 전에 먼저 떨어져 나가게 될 경우 Fe-Al 복합 탈산재의 밀도가 현저히 줄어들어 탈산효율의 저하를 초래할 수 있다. 따라서 Fe편이 탈산재의 중심부에 위치하는 것과 더불어 알루미늄과 확산층을 이루어 계면이 잘 접합되어 있는 것도 탈산 효율을 증가시키는 중요한 요인으로 사료된다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면 용강 중에 오랫동안 존재하여 효과적인 탈산작용을 수행할 수 있는 Fe-Al 복합 탈산재를 완전 자동화 공정으로 제조할 수 있어 양산화 체제구축이 가능하고 균일한 품질관리가 가능하며 생산성을 향상시킬 수 있다.

Claims (7)

  1. 용강용 Fe-Al 복합 탈산재를 제조하기 위한 방법에 있어서,
    (a) Fe-Al 복합재의 밀도제어를 위해 알루미늄에 장입할 Fe 성분 철편의 장입량을 계산하는 단계와;
    (b) 알루미늄을 가스로에서 용해하고 용융된 알루미늄 용탕 내에 플럭스기(Flux Machine)에 의한 질소가스와 약품을 첨가하여 수소가스와 개재물 등을 제거하는 단계와;
    (c) 상기 용융된 알루미늄 용탕을 세라믹이 코팅된 탕도를 통해 이동시키는 단계,
    (d) 상기 탕도를 따라 이동되어 온 용탕을 1.5~10mm의 노즐을 통과시켜 컨베이어타입의 금형에 주입하는 단계와;
    (e) 금형에 주입된 알루미늄 용탕에 상기 계산된 량의 철편을 장입하는 단계와;
    (f) 상기 장입된 Fe-Al 복합재를 냉각시키는 단계와;
    (g) 상기 냉각된 Fe-Al 복합재를 탈괴시키는 단계를 포함하는 Fe-Al 복합 탈산재의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 (e) 단계에서 Fe 철편의 투입온도는 0~250℃사이, 높이는 1~10cm에서 장입하는 것을 특징으로 하는 Fe-Al 복합 탈산재의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 금형 컨베이어 상부에 Fe 철편 이송용 컨베이어를 구성하여 이 상부 컨베이어에서 이송되는 Fe 철편을 그 하부 금형 컨베이어에 주입된 알루미늄 용탕에 장입하는 것을 특징으로 하는 Fe-Al 복합 탈산재의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 (c) 단계에서 세라믹 코팅된 탕도를 200~300℃로 예열한 후 알루미늄용탕을 이동시키는 것을 특징으로 하는 Fe-Al 복합 탈산재의 제조방법.
  5. 용강용 Fe-Al 복합 탈산재를 제조하기 위한 장치에 있어서,
    알루미늄을 용해시키기 위한 가스로;
    용융된 알루미늄 용탕 내에 질소가스와 약품을 첨가하여 수소가스와 개재물 등을 제거하기 위한 플럭스기;
    가스로에서 용융된 알루미늄 용탕을 이동시키기 위한 세라믹이 코팅된 탕도;
    탕도를 따라 이동하는 알루미늄 용탕을 방출하기 위한 노즐;
    노즐에서 방출된 용탕을 주입하기 위한 금형이 장치된 하부 금형 컨베이어;
    금형에 장입된 용탕에 철편을 장입하기 위하여 철편을 이송 및 낙하시키는 상부 컨베이어를 구비하는 것을 특징으로 하는 용강용 Fe-Al 복합 탈산재 제조장치.
  6. 제 5항에 있어서, 고온의 알루미늄으로부터 과열되지 않도록 금형 컨베이어 내의 제품과 10~15cm의 간격을 두고 설치되는 1개 또는 복수개의 냉각팬을 구비하는 것을 특징으로 하는 Fe-Al 복합 탈산재 제조장치.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 금형 컨베이어에 탈괴를 위한 해머가 장치되는 것을 특징으로 하는 Fe-Al 복합 탈산재 제조장치.
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